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  • 科学家:宇宙是由138亿年前的一个时空奇点引发的

    说到BigBang,你怎么看?是红极一时的韩国偶像组合,还是连续更新十二季的美国情景喜剧?在宇宙学家眼中,这个词来源于现代宇宙学(the hot big bang cosmology),代表着一场美丽的“进化”m理论宇宙无中生有,用最朴素、朴实无华却又充满想象力的艺术意象来描绘。我们宇宙长达 138 亿年的历史。

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    什么是“大爆炸”理论?这一理论认为,宇宙起源于138亿年前的一个时空奇点,它通过剧烈的膨胀拉长了时空,形成了宇宙。“大爆炸”理论的雏形是物理学家伽莫夫等人在 1940 年代为了解宇宙中轻元素的丰度而提出的。首次提出时,它也被称为“原始核合成理论”。当时的英国物理学家霍伊尔对这个理论并不十分认同。在接受 BBC 电台采访时,霍伊尔笑着说,这个理论解释了宇宙的演化。就像是“大爆炸”,而且因为他脑洞大开,“大爆炸”这个名字一直沿用至今。

    事实上,自从爱因斯坦提出广义相对论以来,科学家们就面临着这样一个棘手的问题——“诞生”宇宙的时空奇点及其能量密度、曲率、温度等所有物理参数都是无限的。但是无穷大散度的数学描述是不一致的。

    为了解决这个问题,物理学家们绞尽脑汁。1930 年代,一群研究爱因斯坦引力理论的“狂热分子”提出了各种宇宙学解决方案。其中以美国物理学家理查德·托尔曼1934年提出的“宇宙振荡”理论最为流行。但是按照时间倒转回到过去,振荡周期越来越短,宇宙的最终命运依然是大爆炸奇点。由于这个问题,再加上过去半个世纪以来热大爆炸宇宙学和暴胀理论的巨大成功,物理学家对振荡宇宙研究的兴趣在 1980 年代前后略有减弱。

    然而,大爆炸奇点的“乌云”仍然笼罩着当前的宇宙学,对振荡宇宙的研究仍在继续。在 1995 年召开的弦理论大会上,物理学家爱德华·维滕提出了 M 理论,认为空间不仅仅是我们熟悉的三维空间,而是具有更高的维度,只是这些额外的空间维度是卷曲的。从更高维度的空间和时间来看,我们的宇宙看起来很像一部三维电影。

    受到这个疯狂想法的启发,2001 年普林斯顿大学的 Paul Steinhardt 和剑桥大学的 Neil Turlock 提出了循环宇宙的新模型,即火灾模型。在这个模型中,宇宙的创造是循环的,就像凤凰涅槃后的火重生一样。

    物理学家从开始对大爆炸时空奇点束手无策,到无穷无尽的火灾模型,取得了长足的理论进步。但这个模型毕竟只是一个假设,它面临着两大问题:一是如何用合理的数学语言准确地描述这个模型;另一个是这个模型如何真实地描述我们的宇宙,并解释了这个宇宙中发生的一切,尤其是我们人类观察到的一切。

    为了回答这些问题,宇宙学家首先关注只有一个收缩和膨胀过程的宇宙学图景,他们称之为“反弹理论”。构建这幅图的理论模型可以解决热大爆炸宇宙学面临的初始条件难题。反弹理论不仅继承了热大爆炸宇宙学的丰富成果,也让我们避开了会使所有物理理论失效的时空奇点。

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    要解决大爆炸奇点问题,接下来的挑战是证明宇宙经历了一段收缩期。幸运的是,无论早期宇宙经历了怎样的演化,微观世界中的量子涨落始终存在。我们今天看到的多彩宇宙是由宇宙微波背景(CMB)中的温度波动形成的:星系、恒星、地球,甚至我们自己,都是从宇宙初期的量子波动演化而来的。这些量子涨落被拉伸到宏观尺度,形成所谓的原始密度扰动,它们将为后期宇宙大尺度结构的形成提供最原始的种子。

    在那之后,又出现了新一波的问题:宇宙是来自大爆炸的奇点,还是从收缩中反弹回来的?在宇宙的早期发生了什么?这些问题仍然没有解决。但它也吸引了越来越多的宇宙学家去思考。令我们惊讶的是m理论宇宙无中生有,在热大爆炸之后大约 380,000 年,我们的宇宙进行了一次“自拍”,使得原始引力波信号能够通过宇宙微波背景辐射的高精度测量得到验证。通过对CMB偏振涨落的分析,我们发现原始宇宙中的张量扰动(即原初引力波)可以直接导致CMB具有B型偏振信号。过去 15 年来,宇宙学家一直试图利用 WMAP 和普朗克等卫星收集的数据来重建原始扰动甚至原始宇宙的外观。不幸的是,迄今为止还没有观测到原始引力波。

    尽管寻找原始引力波很困难,但我们仍在孜孜不倦地寻找那些珍贵的原始B型偏振信号。由于卫星实验通常成本高昂,并且在运行寿命和承载能力方面在技术上受到不同程度的限制,因此人们不得不探索更多的地面探测方法——地面观测站。迄今为止,已建成和规划的CMB地面观测主要集中在智利天文台和美国南极研究站。在北半球,这仍然是一张白纸。

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    阿里原始引力波观测站示意图

    为了填补这一空白,中国的科技界尽了自己的一份力量。2014年,中科院高能物理研究所研究员张新民提出“阿里计划”——阿里原创引力波探测实验。该项目于2016年12月13日正式启动,是由中国科学院高能物理研究所牵头,国内多家科研单位参与的中美合作项目。按照计划,科学家们将建造世界上最先进的望远镜,用于探测5200多米高空的原始引力波。该项目计划于2020年完成阿里一号望远镜并开始观测。它将探测北部天空区域的原初引力波,并计划通过测量CMB极化旋转角来测试物理定律中的基本对称性:电荷共轭(C)-奇偶校验(P)-时间反转(T)不变性。同时,阿里计划与南半球的CMB实验合作,形成南北背,覆盖整个天空,进行原始引力波观测。科学家们也在讨论是否有可能在“阿里一号”的基础上建造更灵敏的望远镜阵列“阿里二号”,以获得独立且更高精度的初级引力波测量数据。未来,它将与南极天文台和智利天文台一起,成为观测原始引力波的三个世界级站点。

    我们生活在宇宙中。或许从人类诞生之初,我们就一直仰望天空问:宇宙是什么时候诞生的?宇宙是如何形成的?这是哲学家和科学家永恒的问题。科学需要经验证据,理论预测之战需要客观数据最终确定。这个过程很艰难,甚至充满曲折,但科学家们一直在努力。我们也相信这个难题最终会得到解决,作为其中的一部分,我们将为这个伟大的进程做出贡献。

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